Flux 在感应电机设计中的应用.docx
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1、与中国汽车工程师共同成长Flux在感应电机设计中的应用Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长1、概述2、感应电机性能指标与基本尺寸3、使用Altair Flux进行感应电机仿真4、试验5、结论Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长一、概述感应电动机是一种将电能转换成机械能的交流电机,其运行转 速与所接电源频率之比不是恒值,所以感应电动机也称为异步电动机。感应电机由于其结构简单,制造、使用和维护方便,运行可靠,在各行各业中具有大量的应用。在各种电气传动系统中,有90%左右采用感应电动机驱动,在
2、电网总负载中,异步电动机占60%左右。在分析计算感应电动机运行性能时,最常用的是等效电路和 向量图方法。等效电路计算方法中, T形等效电路的计算精度 相对较高,但由于早期计算机不够普及,需要借助手算来完成 电机计算工作,因此实际中大多采用简化的T形等效电路,即把T形等效电路中的励磁支路移到电源端,形成L形等效电路。但这种L形等效电路的计算仍然非常复杂,故在实际运用中将 校正系数设置为1,构成简化的L形等效电路。这种简化应用于 中大型电机计算时可保证一定的准确度,也可见于目前常用的 感应电机快速计算程序之中。但对于小型电机计算应用,由于 定子绕组阻抗不能忽略,使用简化的L形等效电路会引起较大误差
3、。Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长向量图方法通过等效电路计算获得的定子绕组电压、电动势、 电流向量以及转子绕组的电动势、电流向量折算值等参数进行绘制,因此向量图精度依赖于等效电路参数的精度。随着计算技术的发展,在感应电动机的性能计算中也出现了很 多方法,其中以有限元方法应用最为普遍。为了保证感应电动 机计算的准确度,有必要使用有限元法对电动机的内部电磁场进行计算。Altair Flux是目前应用最广泛、使用最方便的电磁有限元分析 软件之一,其特有的交流稳态2D 磁 场 ( 2D Steady State AC Magnetic) 和斜槽
4、(Skew) 模块具有针对感应电机分析的专 用功能,其精度也得到了全球广泛认可。 Flux除了可以进行电机电磁场分析,还可以进行热分析、电磁热耦合分析等。本文以某设备用22kw4 极感应电机为例,较为详细地说明了使 用Altair Flux软件对感应电机电磁场进行建模分析以及计算电机T-S 曲线的具体过程,并与样机测试结果对比。Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长2.2电机基本尺寸见表2.感应电机性能指标与基本尺寸2.1电机性能要求见下表。功率因数COs中额定转矩Tn最大转矩倍 数Tm起动电流倍 数Ist起动转矩倍 数Tst0.81542.
5、82.8Number of Stator Slots;36Outer Diameter of Stator(mm):250Inner Diameter of Stator(mm):160Stator Sloths0(mm):0.5hs12 (mm):16.8bs0(mm):3.8bsl(mm):6.7Rs(mm):9.4Number of Rotor Slots:44Air Gap(mm):0.5Outer Diameter of Rotor(mm):159Inner Diameter of Rotor(mm):60Rotor Slothr0(mm):0.5hr12 (mm):19.8B02
6、(mm):1brl(mm):4.8br2(mm):2Skew Width(Stator slot):1.4Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长3.使用AltairFlux进行感应电机仿真Flux在仿真感应电机中最大的优势即是其可以通过交流稳态 磁场对电机的T-S曲线进行准确的仿真。感应电机仿真过程从 计算T-S曲线开始,然后通过T-S曲线可以查找获得额定点、最 大转矩点、起动转矩点等需要的输入参数。 Flux软件仿真按照 标准的有限元处理流程,分为前处理、网格划分、物理属性设置、求解、和后处理。3.1前处理3.1.1模型建立Flux软件中电
7、机模型建立主要通过以下几种途径:1)外部几何模型导入;2)使用overlay进行建模;3)使用Flux软件内嵌几何建模器;4)使用Python 命令流建模。其中最方便的是外部几何模型导入,但其不容易实现几何参数 化。其次是overlay,overlay 既可以参数化,建模速度也快, 但其模型只能在overlay内置模型的基础上进行建立,限制了 模型拓扑结构自定义能力。使用Flux软件内嵌几何建模器或者Python 命令都能够方便进行几何参数化建模。Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长本文中感应电机采用转子斜槽,故需要使用FLUX 针对斜槽电
8、 机的专用斜槽模块FluxSKEW。 斜槽模块以2D 模型为参考,采 用多层2D 模型的方式进行计算,并通过内部算法建立获得三 维模型进行结果计算处理,可以明显提高计算的准确性。本例的模型使用导入外部DXF 文件的方式建立模型。模型见下图:图3.1感应电机几何模型图3.1.2材料建立感应电机仿真所使用的材料主要包括定子冲片、转子冲片、鼠笼、端环材料,定子和转子铁芯材料通常使用相同的材料,本例鼠笼采用铸铝转子,其和端环采用相同的材料。Flux拥有强大的材料库,包含很多国内外的硅钢片型号。本 例使用的材料为50ww600, 仿真采用材料供应厂商提供的BH 曲线数据,在Flux软件中新建硅钢片材料属
9、性BH 曲线。硅钢片磁化曲线数据见下表:Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长Growing Up with Vehicle Engineers磁感强度 BT00.396485 0.442882 0.497715 0.544112 0.594728 0.645343 0.695958 0.746573 0.797188 0.8478030.89420.949033 0.995431 1.046046 1.096661 1.143058 1.193673 1.244288 1.294903 1.349736 1.3961341.4551851.
10、501582 1.547979 1.5985941.6534271.699824 1.7462211.792619磁场强度HA/m078.55875282.89091587.46197893.281298.42524103.852951109.579976115.62282121.998901130.116013137.291328148.00637159.557679173.86713191.504829210.93176237.371823275.869552327.569394401.689316531.024484789.9980151162.7195721674.9391062491
11、.7844833667.4099585115.5941737290.5056629953.351291表3.1 BH 曲线数据与中国汽车工程师共同成长3.1.3网格划分Flux拥有非常强大的网格剖分系统,包括自动网格划分设置和 灵活的手动控制方法,通常使用默认设置便可得到高质量的网格,本例感应电机剖分网格数量及剖分质量如下:20:03:15 400 sec. 2316 lst order lineic elementscreated20:03:15 400 sec. Generating 2nd order elements isrunningTotal number of nodes - 3
12、502320:03:15 400 sec. End generating 2nd order elementsSurface elements:Number of elements not evaluated :0 %Number of excellent quality elements:7.56 %Number of good quality elements :2.02 %Number of average quality elements :0.42 %Numberof poor quality elements :0 %meshDomain executed剖分后的模型如图所示:Gr
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